高速铁路周界入侵报警系统的研究与应用

翟海伶

（中国铁建电气化局集团有限公司，北京 100043）

1 概述

高铁路网不断完善，运输规模持续扩大，技术装备迭代升级，高铁安全工作面临的形势也日趋严峻和复杂。虽然有工作人员的持续巡检，但在天气比较恶劣的时候或是夜间，单靠人工巡查很难做到不留死角。总有一些人能够绕过车站安检入口，翻越车站、区间围墙或护栏，直接进入站区、线路，给高速铁路运营和设备运用安全造成了很大的隐患。2019 年底国家铁路局发布《高速铁路安全防护设计规范》（TB10671-2019）（以下简称为“安全防护设计规范”），并于2020 年2 月1 日正式开始实施。安全防护设计规范要求如下。

“高速铁路安全防护工程设计应遵循安全第一、预防为主，以及技防、物防、人防相结合的原则，主要防范外部因素对高速铁路运营和设备运用的安全风险。”

“高速铁路安全防护设计主要防范对象应包含下列内容......4）铁路周界的非法入侵；......6）其他外部因素的安全风险。”

“防止车辆以及其他物体进入、坠入高速铁路线路的措施应符合下列规定：......”

《高速铁路周界入侵报警系统技术规范》中要求：“高速铁路周界入侵报警系统在路基路段、桥基过渡段和桥墩不高于3 m 的桥梁路段宜采用光纤振动与视频图像入侵探测设备结合的入侵探测方法。”

“高速铁路作业通道门、桥梁救援疏散通道、隧道口或隧道竖/斜井及通风口等宜采用视频图像入侵探测设备。”

2 系统设计原则

根据防护区域、围挡样式及网络传输和供电接口及段内要求，合理选定监测技术、通讯手段和设备安装点位。

本着保障铁路沿线和通信基站防护安全、使用可靠、节省工程造价、技术水平先进等因素进行方案设计。

其次以应用需求为导向，以计算机应用技术为手段，以智能化动车所周界防护为目标。系统的规划设计还应遵循以下原则。

2.1 实用性

依照各铁路局不同要求，坚持实用性为主的原则，采用光纤光栅传感技术、雷达与智能视频结合等技术，在确保技术先进性的同时，在结合未来发展需求的前提下，系统完全满足沿线、通信基站、车站周界智能防护的实际需求。

2.2 先进性

系统设计遵循系统工程的设计准则，通过科学合理设计，既防止片面追求某一高指标，又充分体现系统的先进性，选用先进、成熟、可靠的设备，最大程度地采用成熟、可继承、具备广阔发展前景的先进技术，搭建可升级、可扩展、可兼容的系统和应用平台，构建智能化、规范化和精细化的综合安全监控系统。

2.3 可扩展性

系统设计严格遵循铁路相关技术标准，确保系统之间的透明性和互联互通，并充分考虑与其他业务系统的连接。在设计和设备选型时，将科学预测未来扩容需求，进行冗余设计，便于后期扩展。

2.4 稳定性、安全性

系统的建设需要融合以往建设经验，结合具体应用需求，使用具有成熟应用实践的软件平台架构确保系统的健壮性，选用具备高可靠性、高安全性，具有数万小时平均无故障时间的设备。 同时为关键设备、关键部件设计冗余备份。建立健全系统安全稳定运行保障机制、建设系统运行故障预案，全方位多角度保障系统的顺利运行。

2.5 易管理性、易维护性

系统采用全中文、图形化软件平台实现各变电所一体化智能安全监测系统的管理与维护。系统采用稳定易用的硬件和软件，既降低了维护工作人员的工作难度，又节省了日常的维护费。

3 系统概述

3.1 系统介绍

本系统包含入侵报警、电子巡查、监控中心和个性化终端等子系统，其中周界入侵报警子系统具有对长大路段、咽喉要道等重点区域的监测报警功能。系统架构如图1 所示。

图1 系统方案设计架构Fig.1 System scheme design architecture

本文基于光纤光栅传感技术、雷达与智能视频结合技术，通过在铁路路基地段、桥隧结合部栅栏网顶部和通信基站围墙顶部安装光纤复合围栏，并在铁路沿线监测位置附近通过安装监控摄像机，在通信基站大门口出/入位置通过安装智能电子哨兵等实施，能够有效实现对铁路沿线和通信基站全时段、全天候的入侵监测，实现对外部人员入侵的报警，自动生成事件报告上传至监控终端，以便于值班人员快速响应。系统可实现对报警事件的管理、统计和报告。

3.2 系统功能

系统可对人员攀爬、破坏等事件进行实时监测，并能联动附近摄像机进行抓拍录像。

系统支持电子地图功能，当系统探测到入侵告警时，平台可显示告警时间、告警位置和告警图片。

对巡查人员进行自动化的管理，有效监督其作业任务，记录其巡查轨迹。

3.3 系统逻辑结构

系统报警逻辑结构如图2 所示。

图2 报警逻辑结构Fig.2 Alarm logic structure

当发生人员攀爬或翻越围墙等行为时，监测主机通过敷设在周界的复合围栏感知到异常信号，并上传平台服务器进行分析。同时联动现场摄像机对报警位置进行拍摄，经确认后转换成声光报警并将现场抓拍的图片上传至监控终端。

当作业人员在非作业时间点进入通信基站或外来人员由通道口进入轨行区时，智能雷达哨兵可探测到人员进入，并对其运行轨迹进行追踪同时联动摄像机进行抓拍录像。

4 方案设计

4.1 光纤复合围栏

1）技术原理

光纤复合监测系统是无源的周界入侵监测系统，由基于光纤复合检测技术的光纤复合围栏、监测主机和光缆等组成，系统如图3 所示。将光纤复合围栏安装在周界墙体上，并通过光缆将围栏与监测主机相连，即可对周界墙体上的攀爬、穿越等入侵行为进行实时监测和定位。光纤光栅解调仪通过光缆发射探测光到复合围栏中，对光纤光栅反射回来的光波长进行检测，当光波长发生变化时，表明复合围栏中的光栅受到扰动。

图3 光纤复合围栏示意Fig.3 Schematic diagram of optical fiber composite fence

光纤复合围栏现场安装如图4 所示。在实体墙和栅栏网上安装复合围栏控制杆和承力杆，用钢绞线将控制杆连接起来形成围栏，光缆将控制杆与监测主机连接后即具备围栏监测能力。

图4 光纤复合围栏现场安装Fig.4 Site installation diagram of optical fiber composite fence

2）技术优势

光纤复合围栏具有以下核心优势：

无源——全周界无源，不需要供电，不需要网络，适用于项目的现场环境；

可靠——误报率极低，不受风雨、电磁、小动物和植被影响；

长寿命——使用寿命长，光纤无源，不会因为电学损耗而失效；

阻拦威慑——具备阻拦威慑能力，可代替栅栏起到防护作用；

扩展能力——备用光纤可以用于有线网络传输，保证补盲摄像机、电子哨兵的数据传输稳定性。

与其他监测技术手段对比如表1 所示。

表1 监测方案对比Tab.1 Comparison of monitoring schemes

4.2 智能电子哨兵

1）技术原理

智能电子哨兵采用雷达技术与智能图像识别技术相结合，融合雷达数据与图像数据，安装于所需监测区域，可对该区域人员入侵行为进行实时监测和分析。智能电子哨兵多技术融合可滤除恶劣环境、小动物等影响，准确性高、误报率低，全天候工作。可以采用壁挂、立柱等多种安装方式，能广泛应用于铁路、场站、哨所等多种安全防护场景。智能电子哨兵报警逻辑如图5 所示。

图5 智能电子哨兵报警逻辑Fig.5 Alarm logic of intelligent electronic sentry

2）技术优势

智能电子哨兵具备以下技术优势：

多技术融合，准确性高；

误报率极低，不受风雨、电磁、小动物和植被影响；

可全天候工作；

安装方式灵活，适应各种工况。

5 不同区段方案选择

5.1 路基监测区域

针对铁路沿线砼栅栏网，采用光纤复合围栏及智能视频进行人员入侵和车辆撞击监测。

1）光纤复合围栏

将光纤复合围栏控制杆和承力杆底座采用膨胀螺栓钉固在砼栅栏网横梁外侧面，与水平成60°夹角，如图6 所示，每隔20 m 安装1 根控制杆，两控制杆之间每隔4 m 安装1 根承力杆，保持承力杆和控制杆上下对齐并在同一平面上，光纤复合围栏控制杆之间采用钢绞线拉伸4 道，各道钢绞线穿过承力杆过嘴线，保持钢绞线拉伸，松紧度控制在设计要求内。

图6 光纤复合围栏安装示意Fig.6 Schematic diagram of optical fiber composite fence installation

根据控制杆数量，每10 根控制杆串接成一个通道接入主光缆，主光缆和视频电源线同穿一根管线敷设，沿栅栏网底部钉固。控制杆之间的蝶形光缆沿栅栏网横梁进行钉固，蝶形光缆串接的光缆保护盒钉固砼栅栏网立柱上。

2）摄像机

在所监测的区域，根据现场情况选择摄像机安装位置，使照射的角度、视野尽可能远和广。摄像机安装位置应和栅栏网保持至少2 m 安全距离，摄像机基础开挖截面70 mm×70 mm，深度900 mm。特殊位置采用拉盘进行防护，立杆安装时做好接地保护和防雷措施。

5.2 通信基站、存车场

针对通信基站采用光纤复合围栏及智能电子哨兵进行人员入侵监测。

1）光纤复合围栏

将光纤复合围栏安装在围墙顶部，将光纤复合围栏的底座用膨胀螺栓固定在墙顶外侧立面，与水平成60°夹角，底座位置与墙顶等高。在每面实体墙两端安装1 根光纤复合围栏控制杆，每两根控制杆之间按间隔4 m 安装承力杆，保持承力杆和控制杆在同一高度和平面上。光纤复合围栏控制杆之间采用钢绞线拉伸4 道，各道钢绞线穿过承力杆过嘴线，保持钢绞线拉伸，松紧度控制在设计要求内。

2）智能电子哨兵

智能电子哨兵安装于通信基站大门附近位置，根据现场实际情况选取合适的安装点位，保证安装后智能电子哨兵能够覆盖大门口区域。智能电子哨兵采用立柱式安装，基础开挖界面500 mm×500 mm，深度50 mm。保持立杆垂直安装，安装前预埋网线和电缆管道，预埋深度200 mm，采用硅芯管保护。

智能电子哨兵从通信基站取电，并通过铁路2 M 传输连接到通信机房，再经过核心交换机接入铁路数据网。

5.3 过渡段

针对隧道口上/下行缺口位置，采用智能电子哨兵进行人员入侵监测。监测设备安装位置如图7所示。

图7 隧道口重点区域Fig.7 Key areas of tunnel entrance

智能电子哨兵就近取电，光纤复合围栏前端监测设备无源，无需供电。新增传输光缆连接至附近通信基站，通过铁路2 M 传输接到通信机房，再经过核心交换机接入铁路数据网。

5.4 车站周界

针对车站周界采用光纤复合围栏及监控视频进行人员入侵监测，并配合巡跟设备进行人员巡检。

1）光纤复合围栏

将光纤复合围栏安装在围墙顶部，将光纤复合围栏的底座用膨胀螺栓固定在墙顶外侧立面，与水平成60°夹角，底座位置与墙顶等高。在每面实体墙两端安装1 根光纤复合围栏控制杆，每两根控制杆之间按间隔4 m 安装承力杆，保持承力杆和控制杆在同一高度和平面上。光纤复合围栏控制杆之间采用钢绞线拉伸4 道，各道钢绞线穿过承力杆过嘴线，保持钢绞线拉伸，松紧度控制在设计要求内。

2）摄像机

在所监测的区域，根据现场情况选择摄像机安装位置，使照射的角度、视野尽可能远和广。摄像机安装位置应与围墙保持至少2 m 安全距离，基础开挖截面70 mm×70 mm，深度900 mm。特殊位置需采用拉盘进行防护，立杆安装时做好接地保护和防雷措施，接地棒应从基础往下打入地下。

针对重点巡查点可安装巡更按钮，根据巡查要求进行巡查打卡，有效监督巡检人员工作。

6 结论

针对高速铁路路基、桥梁、隧道口、存车场、车站、无人值守电气化所（亭）及基站等不同应用场景、选用不同类型的周界入侵报警系统方式，当发生人员攀爬或翻越围墙等行为时，监测主机通过敷设在周界的复合围栏感知到异常信号，并上传平台服务器进行分析。同时联动现场摄像机对报警位置进行拍摄，经确认后转换成声光报警并将现场抓拍的图片上传至监控终端，可大大提高监测报警的及时性、可靠性与实用性。